JPH0878307A - 露光条件及び投影光学系の収差測定方法 - Google Patents

露光条件及び投影光学系の収差測定方法

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JPH0878307A
JPH0878307A JP6209800A JP20980094A JPH0878307A JP H0878307 A JPH0878307 A JP H0878307A JP 6209800 A JP6209800 A JP 6209800A JP 20980094 A JP20980094 A JP 20980094A JP H0878307 A JPH0878307 A JP H0878307A
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    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483—Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/70591—Testing optical components
    • G03F7/706—Aberration measurement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高精度および高速にレジストの種類に対応し
た最適露光条件を測定する方法及び投影光学系の収差を
測定する方法を提供することを目的とする。 【構成】 パターンを互いに異なる露光条件で感光基盤
上に転写して複数の感光パターンを形成する工程と、前
記複数の感光パターンを撮像する工程と、前記撮像工程
によって得られる画像信号から前記各感光パターンの周
波数成分を算出する工程と、前記各感光パターンの周波
数成分のに基づいて前記パターンを前記感光基盤に転写
する際の最適露光条件を決定する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩなどを製造する
場合、特にリソグラフィー工程において使用される露光
装置の露光条件もしくは露光装置の投影光学系の収差を
測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この種の露光装置においては回路パター
ンの集積度が高まり、転写すべきパターンの線幅もサブ
ミクロンの領域になり、その投影レンズの解像力を安定
して維持していくためには露光量条件とフォーカス条件
を正確に設定することが重要になる。
【０００３】従来では、１ショット毎に、露光条件即ち
フォーカス位置と露光量( シャッター時間) の少なくと
も一方を変えながら、感光基板に焼き付け後感光基板を
現像して直線上のパターンの線幅を光学顕微鏡や線幅測
定装置で計測することで最適な露光条件を決定してい
る。
【０００４】例えばステップアンドリピート方式の露光
装置においては、ウェハー上のショット領域の配列の横
方向についてはフォーカス値を一定にして露光量( シャ
ッター時間) を一定量ずつ変えて露光を行ないショット
配列の縦方向については、露光量を一定にしてフォーカ
ス値を一定量ずつ変えて露光する。
【０００５】現像後に形成された各ショット内のライン
アンドスペースのレジストパターンの線幅を走査型電子
顕微鏡によるＳＥＭ測長等により検出し、投影レンズの
最適焦点位置と最適露光量が算出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術においては、レジストパターンの線幅をＳＥＭ等で計
測するため処理速度が極めて遅いし、装置価格が極めて
高価であるという問題があった。
【０００７】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、高精度および高速にレジストの種類に対応した最適
露光条件を測定する方法及び投影光学系の収差を測定す
る方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用】本発明では、
Ｌ＆Ｓのパターンを転写した場合 （１）最適フォーカ
ス位置（２）最適露光量におけるレジストパターンのデ
ューティ（ラインとスペースの長さの比率）が１：１に
なる原理を利用している。
【０００９】そこで本発明においては、レチクル（Ｒ）
に一方向に周期性をもつ（Ｌ＆Ｓデューティ１：１）露
光条件測定用パターンを形成したマスクを用いて、その
基準パターンの像をウェハー（Ｗ）への露光量とフォー
カス位置の少なくとも一方の条件を変えてウェハー上に
順次露光する。
【００１０】現像後各レジストパターンをＣＣＤカメラ
で撮像し、その画像信号の一方向への積算により得られ
る１次元信号を空間周波数領域に変換し、その領域でパ
ターンから生ずる空間周波数の強度を算出することでＬ
＆Ｓのレジスト像のデューティを検出し、投影光学系の
最適フォーカス位置と最適露光量を高精度、高速に算出
することができる。
【００１１】本発明の露光条件測定方法のある形態は、
パターンを互いに異なる露光条件で感光基盤上に転写し
て複数の感光パターンを形成する工程と、前記複数の感
光パターンを撮像する工程と、前記撮像工程によって得
られる画像信号から前記各感光パターンの周波数成分を
算出する工程と、前記各感光パターンの周波数成分に基
づいて前記パターンを前記感光基盤に転写する際の最適
露光条件を決定する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】本発明の収差測定方法のある形態は、レチ
クル上のパターンを投影光学系を介して感光基盤上に転
写して感光パターンを形成する工程と、前記感光パター
ンを撮像する工程と、前記撮像工程によって得られる画
像信号から前記感光パターンの周波数成分を算出する工
程と、前記感光パターンの周波数成分に基づいて前記投
影光学系の収差を決定する工程とを有することを特徴と
する。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を図に示した実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明が適用された露光条件測
定を行なう装置を備えた露光装置の第１実施例を示すも
のである。
【００１４】図１において、１０１は縮小投影レンズで
ありレチクルＲ面上の回路パターンをウェハＷ上に投影
する。その光軸は図中ＡＸで示されている。また光軸Ａ
Ｘは図中のＺ方向と平行な関係にある。１００はウェハ
Ｗを吸着し、ｘ，ｙ方向およびｚ方向に移動させるウェ
ハステージである。
【００１５】またこの露光装置には、フォーカス位置制
御装置及び露光量制御装置を備えている。図２はフォー
カス位置制御装置及び露光量制御装置の部分的概略図で
ある。まずフォーカス位置制御について説明する。
【００１６】２０３は半導体レーザなどの高輝度光源で
２０４は照明光学系である。光源から射出した光は照明
用光学系よりピンホールを通過し、その光束は折り曲げ
ミラー２０５で方向を変えられた後、ウェハーＷの表面
に入射する。ウェハーＷの測定点で反射した光束は折り
曲げミラー２０６で方向を変えられた後、位置検出光学
系２０７を介して２次元位置検出素子２０８に入射す
る。２次元位置検出素子２０８はＣＣＤなどからなり、
入射位置を検知することが可能である。ウェハーＷの投
影レンズ１０１の光軸ＡＸ方向の位置変化は、２次元位
置検出素子２０８上で入射位置のずれとして検出できる
ため光軸ＡＸ方向の位置が２次元位置検出素子２０８か
らの出力信号に基づいてウエハーステージの位置を制御
している。次に露光量制御について説明する。２１５は
水銀ランプなどの光源で、２１４はシャッターで開閉可
能である。２１３は照度を検出するためのセンサーであ
り、このセンサーで露光光の照度を測定し、露光量が一
定となるように、積算露光制御装置がシャッターの開閉
時間を制御する。
【００１７】図１に戻って、図４に示すようなパターン
Ｍを形成したレチクルＲを露光装置にセットして、ポジ
型のレジストを塗布したウェハをセットし、パターンＭ
をステップアンドリピート方式でウエハ上に順次露光し
ていく。このとき前述したフォーカス制御装置及び露光
量制御装置を用いて、ｘ方向のショット位置に応じて露
光量を変えて設定しｙ方向のショットに対しては、フォ
ーカスオフセットを一定量ずつ変えながら露光してい
く。
【００１８】図３に現像後のウエハのレジストパターン
の断面図を示す。（Ａ）〜（Ｃ）はベストフォーカス位
置で露光量を変えた場合で、（Ｄ）〜（Ｆ）はデフォー
カスした位置で露光量を変えた場合である。
【００１９】次に、現像後のウエハをウエハステージ１
００に載置し、照明系１０３によって、ウエハＷ上のパ
ターンＭのレジストパターンを照明する。１０２はハー
フミラー、１０４は検出光学系であり所定の倍率でパタ
ーンＭのレジストパターンを撮像装置１０５の撮像面に
結像させる。
【００２０】撮像装置１０５は、例えばＩＴＶ、２次元
イメージセンサ等の光電変換装置であり撮像した像を２
次元の電気信号に変換するものである。
【００２１】図４は、前述したように、レチクル上の測
定用パターンであり、クロムで形成された同一の線幅を
有する矩形パターンをそれぞれｘ方向およびｙ方向に伸
びて平行に配列されたものとなっている。
【００２２】撮像装置１０５によって２次元の電気信号
に変換されたパターン像は、１０６のＡ／Ｄ変換装置に
よって、投影光学系１０１と検出光学系１０４の光学倍
率および撮像面の画素ピッチにより定まるサンプリング
ピッチλｓにより２次元の装置上の画素のＸＹ方向のア
ドレスに対応した２次元離散電気信号列に変換される。
１０７は投影積算装置であり、図５で示すパターン（Ｍ
ｘ）のレジストパターンを含むような所定の２次元のウ
ィンドウを設定した後に、図５で示すｙ方向にウィンド
ウＷｘ内で画素積算を行ない、図６に示すｘ方向に離散
的な電気信号列Ｓ（ｘ）を出力する。１０８はＦＦＴ演
算装置であり、入力した電気信号列ｓ（ｘ）を離散フー
リエ変換し、ｓ（ｘ）を空間周波数領域に変換しそのフ
ーリエ係数を高速に演算するものである。その手法は公
知のＮ点（Ｎ＝２r)の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によ
るものであり、サンプリング周波数を ｆｓ＝１とした
ときに周波数ｆｋ＝ｋ／Ｎの複素フーリエ係数をＸｋで
表せば、
【００２３】
【外１】 （ただしｊは虚数単位）で求めることができる。そのと
きの空間周波数ｆｋの強度をｐｋとすれば、
【００２４】
【外２】 （ただし、Ｒｅ（Ｘｋ），Ｉｍ（Ｘｋ）は複素数Ｘｋの
実部および虚部を表す）
【００２５】ここでパターン（Ｍ）のパターンピッチを
λｐとすれば空間周波数ｆ１ｐ＝λｓ／λｐの強度は大
きくなり、また、ｆ１ｐの第ｎ高調波 ｆｎｐ＝ｎ・ｆ
１ｐ（ｎ＝２，３，４，．．．．）の強度も大きくなる
関係がある。
【００２６】図６は、フォーカスを変えて露光した時の
パターンをＣＣＤカメラで撮像した投影積算信号の１例
を示すもので、図７〜図９はその信号をＦＦＴ演算装置
で離散フーリエ変換したものである。最適焦点位置で
は、ラインとスペースの比率即ちレチクル（Ｒ）に構成
されているＬ＆Ｓパターンのデューティーが１：１であ
るならば、レジストパターンにおいても空間周波数ｇ１
ｐ＝２λｓ／λｐのパワーが大きくなり、ｇｎｐ＝ｎ・
ｇ１ｐ（ｎ＝２，３，４，・・・）のパワーも大きくな
る。ただし、デフォーカス状態では、ラインアンドスペ
ースのデューティーが１：１でなくなるため基本周波数
ｆ１ｐのｎ倍、この場合だとｆ３ｐでの周波数のパワー
が大きくなり、最適焦点位置で最小となる。
【００２７】従って、基本周波数ｆ１ｐのｎ倍の周波数
の中からを任意に選択しその周波数のパワーが最小とな
るフォーカス位置を検出することで最適焦点位置が検出
できる。図１４に示すようにフォーカス位置と周波数強
度（ｆ３ｐ）の関係が得られ、このときの周波数強度の
最小値に対応したフォーカス位置が最適焦点位置とな
る。
【００２８】また、この時選択された周波数（ｆ３ｐ）
のパワーのその時の他の基本周波数のパワー（例えばｇ
１ｐやｇ２ｐ）に対する比率が最小となる時を最適焦点
位置としても良い。このように各シヨツトで他の基本周
波数のパワーで規格化することにより、シヨツト間の違
い例えば照明光量やレジスト厚さの違いによる反射光量
の差による誤差を低減できる。
【００２９】図１０は、露光量を変えて露光した時のパ
ターンをＣＣＤカメラで撮像した投影積算信号を示すも
ので図１１〜図１３はその信号をＦＦＴ演算装置で離散
フーリエ変換したものである。フォーカスの場合と同様
にｆ１ｐ、ｆ２ｐの基本周波数強度については露光量に
かかわらず大きくなることが分かる。
【００３０】最適露光量についても最適フォーカス位置
と同様に、ラインアンドスペースのデューティが１：１
に最も近づいた状態すなわちｆ３ｐの周波数成分のパワ
ーが最小となる露光量として定義できる。図１５は露光
量を変えたときの、周波数強度（ｆ３ｐ）を示したもの
であり、周波数強度の最小値に対応する露光量が最適露
光量となる。もちろん前述したように各シヨツトにおい
て他の基本周波数のパワーで規格化しても良い。
【００３１】また、最適焦点位置または最適露光量の場
合は、ラインアンドスペースのデューティが１：１にな
るため基本周波数ｇ１ｐ、ｇ２ｐの周波数強度が最大と
なるので、ｇ１ｐまたはｇ２ｐの周波数強度が最大とな
るフォーカス位置および露光量として定義してもよい
し、基本周波数同士のパワーのを比較して、例えば、ｇ
１ｐとｇ２ｐとを比較し、ある所望の関係になった時を
最適焦点位置または最適露光量として定義しても良い。
【００３２】算出されたフォーカス値は図２におけるフ
ォーカス制御装置にフィードバックすることによりウェ
ハー（Ｗ）を常にベストフォーカス位置に設定すること
ができる。露光量についても図２における積算露光制御
装置にフィードバックすることで最適露光量に設定可能
である。
【００３３】以上の様に最適焦点位置および最適露光量
が算出されレジスト種類、膜厚の変化に応じて、上の処
理を繰り返し行なうことで常に最適露光条件が算出され
る。第１の実施例においては、現像後のウエハののレジ
ストパターンを検出するようにしたが、現像前の潜像を
検出するようにしても最適焦点位置および最適露光量を
決定できる。潜像を検出するようにすれば現像工程を省
くことができるので、投影露光装置上で露光条件が自動
測定できセットアップタイムを大幅に短縮できる。
【００３４】また、図４に示した測定用パターンはｘ方
向およびｙ方向に配列しているので、同一位置でｘ方向
とｙ方向の最適フォーカス位置を検出することで投影光
学系の非点収差を計測できる。すなわち、図５で示すパ
ターン（Ｍｙ）のレジストパターンを含むような所定の
２次元のウィンドウを設定した後に、図５で示すｘ方向
にウィンドウＷｙ内で画素積算を行ない、ｙ方向に離散
的な電気信号列ｓ（ｙ）を出力する。同様に入力した電
気信号列ｓ（ｙ）を離散フーリエ変換し、ｓ（ｙ）を空
間周波数領域に変換し、そのフーリエ係数を算出するこ
とでｙ方向のフォーカス検出ができるようにして、互い
に方向が異なるパターンの最適焦点位置を検出して投影
レンズのレジストプロセスを介した際の実際の非点収差
が計測できる。
【００３５】さらに露光領域内の中心と外周位置の複数
位置に測定用パターンを設けることで投影レンズのレジ
ストプロセスを介した差異の実際の像面湾曲と像面傾き
を検出することができる。 ただし、精度向上の点でＬ
＆Ｓのマーク本数はＦＦＴ処理をする上でも多い方が望
ましく、少なくとも１０本は必要である。
【００３６】前述の処理では、フーリエ変換後のパワー
を評価したが、その位相を検出すればレジストパターン
の非対称性も検知でき投影レンズの露光量域内の各位置
におけるコマ収差も計測できる。
【００３７】このような投影レンズの収差を検出する際
は、回路パターンを実際に露光するレジストでなくても
良く感光する材料であれば良い。例えば光磁気材やフォ
トクロ材であっても良い。
【００３８】第１実施例では、ウエハに測定用パターン
を露光する際も、またレジストパターンを検出する際も
縮小投影レンズもしくは露光装置を用いたが、レジスト
パターンを検出する際は別の観察光学系で行っても良
い。それにより計測結果に対する投影レンズ自体の収差
の影響を低減できる。
【００３９】また第１実施例では、投影光学系を用いた
時の露光条件を求めたが投影光学系を用いないプロミキ
シティ露光の時の露光条件でも良く、その時は焦点位置
の代わりにマスクとウエハとの間隔を変える。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、周期性をもつパターン
例えばＬ＆Ｓパターンをレチクルに構成した露光条件測
定用レチクルを用いて、このパターンのレジスト像のＬ
＆ＳのデューティをＦＦＴを算出することで最適露光条
件を測定している。このため、露光条件を高精度、短時
間に測定することができる。また、レチクルの複数位置
に露光条件測定用パターンを構成すれば、簡単に投影光
学系の収差例えば像面湾曲や像面傾き、または、非点収
差、コマ収差を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による露光条件測定装置の構成を示す
図。
【図２】露光装置におけるフォーカス検出と露光量制御
の部分的概略図。
【図３】レジストに形成されたパターンの断面図。
【図４】本発明の露光条件測定方法の計測対象であるマ
スクに構成するパターンを示す図。
【図５】ウェハー上に形成されたパターンと２次元のウ
インドウの関係を示す図。
【図６】フォーカスを変えて露光した時のパターンをＣ
ＣＤカメラで撮像した投影積算信号の一例を示す図。
【図７】デフォーカス（−）した位置で転写したパター
ンの投影積算信号をＦＦＴ演算装置で離散フーリエ変換
して、縦軸を周波数強度、横軸に空間周波数をプロット
した図。
【図８】デフォーカス（＋）した位置で転写したパター
ンの投影積算信号をＦＦＴ演算装置で離散フーリエ変換
して、縦軸を周波数強度、横軸に空間周波数をプロット
した図。
【図９】最適焦点位置で転写したパターンの投影積算信
号をＦＦＴ演算装置で離散フーリエ変換して、縦軸を周
波数強度、横軸に空間周波数をプロットした図。
【図１０】露光量を変えて転写したパターンをＣＣＤカ
メラで撮像した投影積算信号の一例を示す図。
【図１１】露光量が少ない場合のパターンの投影積算信
号をＦＦＴ演算装置で離散フーリエ変換して、縦軸を周
波数強度、横軸に空間周波数をプロットした図。
【図１２】露光量が多い場合のパターンの投影積算信号
をＦＦＴ演算装置で離散フーリエ変換して、縦軸を周波
数強度、横軸に空間周波数をプロットした図。
【図１３】最適露光量で投影積算信号をＦＦＴ演算装置
で離散フーリエ変換して、縦軸を周波数強度、横軸に空
間周波数をプロットした図。
【図１４】縦軸を周波数強度、横軸にフォーカス位置を
プロットした図。
【図１５】縦軸を周波数強度、横軸に露光量をプロット
した図。
【符号の説明】
１００ ウエハーステージ １０１ 縮小投影レンズ １０２ ビームスプリツタ １０３ 照明系 １０４ 検出光学系 １０５ 撮像装置 １０６ Ａ／Ｄ変換装置 １０７ 投影積算装置 １０８ ＦＦＴ演算装置 １１０ 制御装置 ２０３ 高輝度光源 ２０４ 照明光学系 ２０５、２０６ 折り曲げミラー ２０７ 一検出光学系 ２０８ ２次元位置検出素子 ２０９ 積算露光制御装置 ２１０ フォーカス制御装置 ２１５ 光源

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パターンを互いに異なる露光条件で感光
    基盤上に転写して複数の感光パターンを形成する工程
    と、 前記複数の感光パターンを撮像する工程と、 前記撮像工程によって得られる画像信号から前記各感光
    パターンの周波数成分を算出する工程と、 前記各感光パターンの周波数成分のに基づいて前記パタ
    ーンを前記感光基盤に転写する際の最適露光条件を決定
    する工程とを有することを特徴とする露光条件測定方
    法。
  2. 【請求項２】 前記感光基盤は、レジストが塗布された
    ウエハであることを特徴とする請求項１記載の露光条件
    測定方法。
  3. 【請求項３】 前記感光パターンは、現像工程後に形成
    されるレジストパターンであることを特徴とする請求項
    ２記載の露光条件測定方法。
  4. 【請求項４】 前記感光パターンは、現像工程前にレジ
    スト層に形成される潜像であることを特徴とする請求項
    ２記載の露光条件測定方法。
  5. 【請求項５】 前記パターンは、周期性を有するパター
    ンであることを特徴とする請求項１、２に記載の露光条
    件測定方法。
  6. 【請求項６】 前記各感光パターンの周波数成分のうち
    前記周期性パターンで決まる基本周波数のパワーに基づ
    いて前記最適露光条件を決定することを特徴とする請求
    項５記載の露光条件測定方法。
  7. 【請求項７】 前記露光条件は露光量であることを特徴
    とする請求項１記載の露光条件測定方法。
  8. 【請求項８】 レチクル上のパターンを投影光学系を介
    して感光基盤上に転写して感光パターンを形成する工程
    と、 前記感光パターンを撮像する工程と、 前記撮像工程によって得られる画像信号から前記感光パ
    ターンの周波数成分を算出する工程と、 前記感光パターンの周波数成分に基づいて前記投影光学
    系の収差を決定する工程とを有することを特徴とする収
    差測定方法。
  9. 【請求項９】 前記感光基盤は、レジストが塗布された
    ウエハであることを特徴とする請求項８記載の収差測定
    方法。
  10. 【請求項１０】 前記感光パターンは、現像工程後に形
    成されるレジストパターンであることを特徴とする請求
    項９記載の収差測定方法。
  11. 【請求項１１】 前記感光パターンは、現像工程前にレ
    ジスト層に形成される潜像であることを特徴とする請求
    項９記載の収差測定方法。
  12. 【請求項１２】 前記パターンは、レチクル上の複数の
    位置に配置されていることを特徴とする請求項８、９記
    載の収差測定方法。
  13. 【請求項１３】 前記感光パターンの周波数成分の位相
    に基づいて前記投影光学系の収差を決定することを特徴
    とする請求項８の収差測定方法。
  14. 【請求項１４】 前記投影光学系の光軸方向の異なる位
    置で前記感光基盤上に前記複数のパターンをそれぞれ転
    写して複数の前記感光パターンを形成することを特徴と
    する請求項８記載の収差測定方法。
  15. 【請求項１５】 前記パターンは、周期性を有するパタ
    ーンであることを特徴とする請求項１４記載の収差測定
    方法。
  16. 【請求項１６】 前記各感光パターンの周波数成分のう
    ち前記周期性パターンで決まる基本周波数のパワーに基
    づいて前記投影光学系の像面位置を決定することを特徴
    とする請求項１５記載の収差測定方法。
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